高速公路隧道智慧化改造需求分析及設(shè)計(jì)初探

婁刃

摘 要：本文通過對隧道營運(yùn)需求的分析，重新設(shè)計(jì)了智慧化隧道的系統(tǒng)架構(gòu)，構(gòu)建了系統(tǒng)基本功能和技術(shù)指標(biāo)，并對其應(yīng)用效果進(jìn)行了定性的闡述。本文構(gòu)建的智慧化隧道包含六大系統(tǒng)、十八項(xiàng)功能既涵蓋了現(xiàn)有隧道機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容，又前瞻性的提出了今后隧道機(jī)電系統(tǒng)發(fā)展內(nèi)容，為公路隧道智慧化改造提供了探索性研究的創(chuàng)新思路。

關(guān)鍵詞：智慧隧道;機(jī)電系統(tǒng);車路協(xié)同;智慧化;高速公路

中圖分類號：U457 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

我國正處于高速公路建設(shè)的迅猛發(fā)展時期，且高速公路建設(shè)逐漸由經(jīng)濟(jì)相對發(fā)達(dá)的平原地區(qū)向經(jīng)濟(jì)相對欠發(fā)達(dá)的山地地區(qū)轉(zhuǎn)移，隧道作為公路的特殊路段也相應(yīng)地得到了迅速發(fā)展，我國已成為世界上公路隧道規(guī)模最大、里程最長和發(fā)展最迅速的國家。隧道作為路段的一種特殊組成部分，與普通路段的公路環(huán)境相比具有內(nèi)外亮度差異大、空間小、縱深較大、出入口數(shù)量少、封閉性強(qiáng)等特點(diǎn)，再加上近年來車輛迅速增加，日益惡化的交通擁擠，各種交通事故頻繁發(fā)生，隧道的安全問題越來越為隧道建設(shè)者和運(yùn)營管理者所關(guān)注。相較于公路路段發(fā)生的各類交通事故，隧道交通事故的數(shù)量雖然較少，但其危害性更大。高速公路隧道是高速公路環(huán)境下機(jī)電設(shè)備最為集中的區(qū)域。原有高速公路隧道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)是基于十幾年前的技術(shù)條件下制定的，子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)功能的要求，設(shè)備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)無法滿足當(dāng)前營運(yùn)管理的普遍要求。在當(dāng)前“智慧高速”建設(shè)大發(fā)展時期，對于高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)提出新的目標(biāo)、要求，成為勢在必行的重要工作。

1 隧道營運(yùn)需求分析

1.1 實(shí)時了解和改善隧道交通運(yùn)行狀況的需求

原有體系按照這一需求建立隧道機(jī)電體系架構(gòu)，如交通流信息采集（車輛檢測器）、自然環(huán)境信息采集（氣象檢測器、環(huán)境檢測器設(shè)備）、隧道空氣環(huán)境改善（通風(fēng)設(shè)施）、隧道照明環(huán)境改善（照明設(shè)施）、隧道應(yīng)急事故事件處置應(yīng)對（消防設(shè)施、緊急電話、報(bào)警與誘導(dǎo)設(shè)施）。在新的體系架構(gòu)中原有的內(nèi)容將作為基本功能要求體現(xiàn)。

1.2 實(shí)時了解隧道設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的需求

原有隧道體系對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測無明確要求，本文將對該部分內(nèi)容進(jìn)行研究，確定設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測的具體內(nèi)容和要求。

1.3 實(shí)時了解隧道能耗情況的需求

原有體系架構(gòu)中隧道低壓供配電涉及到隧道設(shè)備設(shè)施用電問題，但對能耗及節(jié)能相關(guān)內(nèi)容并未涉及。在剛需的推動下，大量隧道實(shí)施了電力監(jiān)控系統(tǒng)，給體系架構(gòu)調(diào)整夯實(shí)了現(xiàn)實(shí)意義。本次研究將對隧道能耗采集內(nèi)容、范圍、頻次以及行業(yè)基準(zhǔn)能耗進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)隧道能耗信息采集以及隧道能耗在行業(yè)基準(zhǔn)能耗比對下的可改善情況分析。

1.4 實(shí)時了解目前隧道交通運(yùn)行狀況的問題或者隱患

在目前隧道交通運(yùn)行的狀況下分析交通流情況，對交通事故風(fēng)險(xiǎn)水平，火災(zāi)狀況下應(yīng)急處理能力水平分析，以及改善提高的情況分析。

1.5 實(shí)時了解目前隧道設(shè)備運(yùn)行情況的問題或者隱患

根據(jù)對設(shè)備運(yùn)行時間、狀態(tài)、日常更換維護(hù)進(jìn)行記錄，分析設(shè)備運(yùn)行壽命，提供更換維保建議，對于風(fēng)險(xiǎn)等級較高的設(shè)備設(shè)施進(jìn)行提示。

1.6 為公眾提供道路信息的需求

隨著車輛與道路智慧化程度越來越高，車路之間的信息交互也越來越頻繁，原有通過可變信息標(biāo)志、廣播等單向、低效的信息交互手段，逐漸不適應(yīng)車輛對于信息的需求，因此為車輛提供高信息量、數(shù)據(jù)化的信息服務(wù)，也越來越成為營運(yùn)單位要考慮的重要需求。

2 智慧隧道系統(tǒng)設(shè)計(jì)與指標(biāo)構(gòu)建

在根據(jù)確定的需求后，重新研究設(shè)計(jì)隧道機(jī)電體系和各個功能子系統(tǒng)，摒棄原有體系按照設(shè)備劃分的方式，轉(zhuǎn)而采用根據(jù)業(yè)務(wù)需求的劃分方式，面向未來發(fā)展需求，將隧道機(jī)電系統(tǒng)整體性考慮和設(shè)計(jì)。將原有設(shè)備構(gòu)成系統(tǒng)的理念轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)備與軟件構(gòu)成系統(tǒng)，強(qiáng)化軟件在隧道機(jī)電體系框架中的功能和作用，明確出實(shí)際業(yè)務(wù)需求在新的隧道機(jī)電體系框架中的位置。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)及功能指標(biāo)構(gòu)建如下：

2.1 通行環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

將車輛檢測、氣象檢測器、環(huán)境檢測設(shè)備（含通風(fēng)設(shè)施中COVI、風(fēng)速儀與照明設(shè)施中亮度照度檢測儀）、閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)整合，增加事故事件檢測分析設(shè)施成為通行環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，將隧道行車環(huán)境統(tǒng)籌考慮，并利用多維度數(shù)據(jù)通過軟件技術(shù)產(chǎn)生分析后數(shù)據(jù)，如行車舒適度指數(shù)、行車風(fēng)險(xiǎn)等級等綜合性狀態(tài)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)功能及技術(shù)指標(biāo)：

（1）車輛信息采集。具備每一車輛獨(dú)立信息采集功能，采集基礎(chǔ)參數(shù)包括：車輛當(dāng)前位置，精度10 cm±1 cm，采集頻率≤1 s;車型，類型包括客車小、中、大三類，貨車包括1-5類，危貨車一類、異型車一類，準(zhǔn)確度≥98%;車牌，準(zhǔn)確度≥99%。

具備數(shù)據(jù)分析功能，可根據(jù)基礎(chǔ)參數(shù)計(jì)算得出每一車輛車速，秒級時間顆粒度;自定義空間區(qū)間平均車速;自定義時間區(qū)間平均車速。采集的基礎(chǔ)參數(shù)具備結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)顯示、存儲功能。

（2）環(huán)境信息采集。具備道路環(huán)境采集功能，采集基礎(chǔ)參數(shù)包括氣溫，氣溫精度0.5級，采集密度≤1 000 m，采集頻率≤10 min。

氣壓，氣壓精度0.5級，采集密度≤1 000 m，采集頻率≤10 min。

空氣濕度，空氣濕度精度0.5級，采集密度≤1 000 m，采集頻率≤10 min。

粉塵濃度，精度0.5級，采集密度≤1 000 m，采集頻率≤10 min。

路面溫度，精度0.5級，采集密度≤300 m，采集頻率≤1 min。

路面濕度（100最大，積水狀態(tài)），精度0.5級，采集密度≤300米，采集頻率≤1 min。

路面結(jié)冰厚度，精度0.5級，采集密度≤300 m，采集頻率≤1 min。

路面亮度，精度0.5級，采集密度≤300 m，采集頻率≤1 min。

有害氣體含量（碳氧化合物、氮氧化合物、碳?xì)浠衔铮?，精?.5級，采集密度≤300 m，采集頻率≤1 min。所有采集參數(shù)數(shù)據(jù)均使用數(shù)字信號傳輸。

（3）圖像信息采集。具備高清彩色圖像采集功能，圖像分辨率≥700萬像素，采集密度≤150 m;特殊結(jié)構(gòu)區(qū)域增設(shè)圖像采集設(shè)備。

（4）事件識別能力。利用上述采集參數(shù)，具備事件分析功能，可對交通違法事件（超速、超限、違規(guī)變道、掉頭、倒車、違規(guī)停車）、特殊事件（異物占道、行人、異常天氣、基礎(chǔ)設(shè)施異常）、交通事故（撞車、起火、）、交通特殊運(yùn)行狀態(tài)（擁堵、緩行）進(jìn)行自動判別，準(zhǔn)確率≥98%。

2.2 通行環(huán)境改善系統(tǒng)

將通風(fēng)設(shè)施、照明設(shè)施整合為通行環(huán)境改善系統(tǒng)，與上述1）子系統(tǒng)形成閉環(huán)自控，通過機(jī)器深度學(xué)習(xí)、決策輔助，可實(shí)現(xiàn)無人值守環(huán)境下的程序自我優(yōu)化。

系統(tǒng)功能及技術(shù)指標(biāo)：

（1）排煙功能。具備獨(dú)立煙道的排煙功能，排煙能力≥10 m3/s且可調(diào)，排煙口密度≤250 m;洞口具備柔性隔離裝置，用于隧道內(nèi)空氣隔絕，抑制燃燒。具備根據(jù)粉塵濃度自動調(diào)節(jié)排煙功能的能力。

（2）送風(fēng)功能。具備獨(dú)立送風(fēng)通道，送風(fēng)能力≥10 m3/s

且可調(diào)，送風(fēng)口密度≤250 m，具備條件的可以增加新風(fēng)溫、濕度調(diào)節(jié)功能和空氣凈化功能，具備根據(jù)有害氣體濃度自動調(diào)節(jié)送風(fēng)功能的能力。

（3）照明功能。具備連續(xù)提供照明能力，洞口區(qū)域路面亮度要求滿足人眼對于光線過渡變化不產(chǎn)生黑洞白洞效應(yīng)為準(zhǔn)，洞內(nèi)區(qū)域路面亮度要求滿足200 m范圍分辨0.001 m3大小物體的需要;每個照明獨(dú)立控制單位內(nèi)發(fā)光強(qiáng)度連續(xù)可調(diào)。具備根據(jù)路面亮度自動調(diào)節(jié)照明功能的能力。

2.3 應(yīng)急報(bào)警與處置系統(tǒng)

將緊急電話系統(tǒng)、報(bào)警誘導(dǎo)設(shè)施、消防設(shè)施、可變標(biāo)志整合為應(yīng)急處置系統(tǒng)，根據(jù)營運(yùn)單位應(yīng)急預(yù)案固化在軟件中，滿足全自動化運(yùn)作能力。

系統(tǒng)功能及技術(shù)指標(biāo)：

（1）應(yīng)急報(bào)警功能。具備事件當(dāng)事人主動向管理單位報(bào)告事件的能力，具備自動識別異常事件的能力（完全獨(dú)立于通行環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的事件識別能力），異常事件包括起火、撞車、擁堵（緩行）、違規(guī)停車、異物占道，識別準(zhǔn)確率≥98%。該自動識別異常事件的能力與通行環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的事件識別能力相互驗(yàn)證后，形成最終報(bào)警指令，并觸發(fā)處置系統(tǒng)。

（2）應(yīng)急處置功能。具備交通誘導(dǎo)能力，包括降低隧道車流量的能力，可實(shí)現(xiàn)5 min內(nèi)從當(dāng)前車流量降為0車流量。具備在觸發(fā)處置系統(tǒng)30 s內(nèi)，向后方所有車輛提供應(yīng)急事件信息的能力。

具備車輛疏散能力，疏散指令可讓每一個隧道內(nèi)密閉車窗的車內(nèi)司機(jī)清晰接收。

具備獨(dú)立通道的人員疏散能力，疏散指令可讓每一個隧道內(nèi)人員清晰接收。人員疏散通道入口間距≤50 m，入口隔離裝置具備自常閉能力，隔熱、防火、空氣密閉性強(qiáng)，雙向可開啟。

具備起火點(diǎn)50 m內(nèi)提供明顯標(biāo)識的滅火設(shè)施、自備電源照明設(shè)施、基礎(chǔ)逃生設(shè)施的能力。

（3）預(yù)案聯(lián)動功能。具備自定義預(yù)案并自動根據(jù)事件類型聯(lián)動控制通行環(huán)境改善系統(tǒng)的能力，具備自動聯(lián)絡(luò)交警、路政、急救、施救等部門，并提供事件具體地點(diǎn)、事件類型的能力。事件處置結(jié)束后，具備恢復(fù)聯(lián)動前狀態(tài)的能力，具備自動聯(lián)絡(luò)交警、路政、急救、施救等部門提供事件處置結(jié)束信息的能力。

2.4 能源監(jiān)控系統(tǒng)

將低壓供配電擴(kuò)展為能源監(jiān)控系統(tǒng)，增加能耗監(jiān)測與統(tǒng)計(jì)功能，包括電能監(jiān)測分析、發(fā)電機(jī)柴油消耗監(jiān)測分析，通過軟件技術(shù)分析能耗趨勢，通過比對行業(yè)基準(zhǔn)能耗，分析排查高于基準(zhǔn)的耗能設(shè)備，有助于持續(xù)性節(jié)能優(yōu)化改造的實(shí)施，協(xié)助完成政府對于節(jié)能減排的指標(biāo)考核要求。

系統(tǒng)功能及技術(shù)指標(biāo)：

（1）能源監(jiān)測功能。具備對汽柴油用量、電能長期在線監(jiān)測的能力，監(jiān)測最小單位為每個獨(dú)立供能通道。

（2）能耗數(shù)據(jù)分析功能。具備對能耗數(shù)據(jù)突變、漸變、局部過高（低）等異常情況自動分析能力。

2.5 基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)

將結(jié)構(gòu)物、機(jī)電設(shè)備、軟件及能耗的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)時了解結(jié)構(gòu)物和機(jī)電設(shè)備、各類軟件的運(yùn)行狀態(tài)，提高基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)的準(zhǔn)確性和及時性，保障基礎(chǔ)設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.6 公眾服務(wù)系統(tǒng)

將隧道內(nèi)擴(kuò)展定位服務(wù)、隧道內(nèi)車路協(xié)同服務(wù)、隧道內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)整合為公眾服務(wù)系統(tǒng)，為公眾提供必要的信息。

3 預(yù)期應(yīng)用效果

根據(jù)本文上述內(nèi)容的分析與設(shè)計(jì)，基本完整的構(gòu)建了智慧化隧道的雛形，既滿足管理單位的管理需求，又滿足車輛的駕駛需求;既解決了正常運(yùn)營狀態(tài)下的一般需求，又解決了應(yīng)急狀態(tài)下誘導(dǎo)處置需求。隨著技術(shù)的成熟，指標(biāo)滿足度提高后，完全可實(shí)現(xiàn)隧道營運(yùn)無人化。

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